地球關鍵帶是維系地球生態(tài)系統(tǒng)功能和人類生存的關鍵區(qū)域。巖溶關鍵帶是地球關鍵帶的類型之一。我國西南巖溶面積約為54萬平方千米,是全球三大巖溶集中分布區(qū)中連片裸露碳酸鹽巖面積最大的地區(qū)。巖溶關鍵帶由于碳酸鹽巖的特殊理化性質(zhì)及所形成的地貌特征,在垂向界面上有兩個主要的特點:土層薄且分布不連續(xù)和“土在樓上,水在樓下”的水土資源空間分布格局,造成巖溶關鍵帶在垂向界面有更為錯綜復雜的相互作用關系,這些界面的不同使得巖溶關鍵帶具有更為尖銳和突出的資源環(huán)境問題,如水土流失和石漠化嚴重、生物多樣性低、生產(chǎn)量和環(huán)境容量低,抗外界干擾的閾值低,生態(tài)修復難度大且時間長等。巖溶關鍵帶植被-表層巖溶水界面對巖溶關鍵帶發(fā)生的各種過程具有重要的控制作用,把握這界面為人為調(diào)控關鍵帶過程提供了重要的切入點。巖溶地下水和植被是巖溶關鍵帶中最敏感的兩個自然要素,地下水是巖溶區(qū)植被生存的主要水源,植被對地下水有重要的調(diào)蓄作用。但是,巖溶關鍵帶植被冠層對降雨的截留過程及對降雨的響應仍然不清楚,巖溶關鍵帶石生植物的水分來源及控制因素的解譯存在很多不確定性,且裸露型巖溶區(qū)石生植物的水分來源及液流速率如何應對地下水埋深響應研究至今仍無報道,難以判斷巖溶關鍵帶特有的雙層地下空間結構對植物蒸騰耗水起阻礙還是促進作用。因此,本文依托廣西桂林丫吉國土資源部野外觀測臺站,分析了巖溶關鍵帶森林和灌叢兩種不同冠層的降雨、穿透雨、樹干莖流、鉆孔和表層巖溶泉的水量和水化學特征,利用氫氧穩(wěn)定同位素分析表層巖溶泉水對降雨事件的響應。結合氫氧穩(wěn)定同位素技術和熱比率法,探索四種不同地下水深度下植物水分吸收來源和蒸騰耗水時空動態(tài)特征及對地下水水位的響應,得到以下主要的認識和結論:1.冠層截留對表層巖溶水水量/水化學的影響及降雨響應通過西南地區(qū)森林和灌叢兩種不同冠層的降雨、穿透雨、樹干莖流、鉆孔和表層巖溶泉的垂直剖面的水量和化學性質(zhì)分析,比較兩個不同植物群落中冠層截留對表層巖溶水化學的影響,結果顯示:在水量上,植被冠層改變了降雨對表層巖溶帶的補給形式和補給量。降雨經(jīng)過植被冠層的截留后轉(zhuǎn)化成穿透雨和樹干徑流進入表層巖溶帶,穿透雨以連續(xù)波狀的形式補給表層巖溶帶,而樹干徑流則以快速集中的方式補給表層巖溶帶。植被的截留減少了降雨對表層巖溶帶的總補給量,但增加了有效補給量。與云實灌叢相比,香椿林可增加表層巖溶帶的有效補給量。在水化學上,降雨、穿透流、樹干莖流和表層巖溶泉中的p H,EC和DO存在顯著性差異,樹干莖流和穿透雨以較酸的形式補給表層巖溶帶。經(jīng)過冠層截留后,降雨變得更酸且富集營養(yǎng)元素。2.植被水文過程總有機碳通量特征通過香椿喬木林和云實灌叢兩種不同冠層的降雨、穿透流、樹干莖流、鉆孔和表層巖溶泉垂直剖面的水量和水化學特征分析,得知在降雨通過大氣-植被-土壤/巖石的過程,TOC濃度變化趨勢為:樹干徑流穿透雨鉆孔水泉水大氣降雨;穿透雨和樹干流中TOC濃度的呈現(xiàn)為雨季大旱季小的趨勢,鉆孔水和泉水的TOC濃度月變化則相對穩(wěn)定;云實灌叢林下降雨的TOC通量是香椿林的1.3倍;大氣降雨輸入的TOC通量為63.06 kg·hm-2,表層巖溶泉水輸出為48.29kg·hm-2,TOC輸入輸出之差為14.77 kg·hm-2,系統(tǒng)TOC為正平衡;降雨進入植被內(nèi)部后,植被林冠層作為“TOC活庫”具有增加TOC通量的“源”作用,而表層巖溶帶的土壤/巖石系統(tǒng)作為“TOC死庫”具有吸收、過濾和固定TOC的“匯”作用。3.植物水分吸收來源對地下水埋深的響應策略及控制因素以四種不同地下水水位深度下的香椿作為研究對象,利用氫氧穩(wěn)定同位素技術,結合Isosource模型,探討巖溶關鍵帶植物水分吸收來源特征、對地下水水位的響應及控制因素。結果顯示前10天總降雨量與鉆孔水位有顯著的負相關關系,不同鉆孔水位對降雨有不同的滯后響應。δ18O值顯示在廣西裸露型巖溶區(qū),土壤水補給泉水,隨后土壤水和泉水共同補給巖石水。巖石水分是廣西裸露型巖溶區(qū)植物的主要水分吸收水源,前2天總降雨、前15天總降雨和水位是影響植物吸收巖石水分的主要控制因素。表層巖溶帶是植物雨季生長水分需求的水庫和維持植物旱季生存水分消耗的水庫,巖溶含水介質(zhì)的構成和尺度控制植被對表層巖溶水獲取的比例和水量。淺部巖溶越發(fā)育,越有利于植被對表層巖溶水的獲取。4.樹干液流速率時空動態(tài)特征及其對地下水埋深的響應。利用熱比率法長期定位監(jiān)測植物的樹干液流,結合穩(wěn)定氫氧同位素技術和氣候因素,探討不同地下水水位深度下植物樹干液流速率的響應特征。顯示不同水位深度下香椿液流速率存在顯著性差異,石生植物由于可利用水資源量少而造成植物的液流速率比其他同緯度的植物低。從樹干液流日變化與環(huán)境因子的RDA和相關性分析可知,光合有效輻射和空氣水汽壓虧缺是影響香椿樹干液流變化的主要環(huán)境因子。水位最淺的CF13樣地下白天單位水位變化引起的液流速率變化最快,顯示表層巖溶帶供水情況是影響植物蒸騰的重要潛在主控因素,但裸露型巖溶區(qū)石生植物樹干液流速率并非隨地下水埋深加深而降低,還與巖溶含水介質(zhì)、淺層巖溶發(fā)育程度有關,淺部巖溶越發(fā)育越有利于植被對巖石水的獲取,該研究與植物水分來源的結果吻合。此外,利用植物莖流計法和同位素混合比法計算植被地下水利用量,香椿月總蒸騰量與最大降雨量和最高月水位有滯后時間,最大降雨量和最高水位集中在4-6月份,而植物月總蒸騰量最高期則主要集中在6-8月。在此基礎上,總結出在降雨充足的西南典型峰叢洼地裸露型巖溶關鍵帶,在水位埋深淺等條件下,從巖溶含水介質(zhì)的生境差異角度概括了三種不同的植物水分獲取模式及相應的響應對策。在溶孔+溶縫型巖溶生境下,植物主要吸收土壤水主導型為主,植物對表層巖溶水利用比例隨水位深度的增加而下降;在孔隙+裂隙型巖溶生境下,植物主要以裂隙水和土壤水綜合型為主,在該生境下,植物對表層巖溶水的利用比例隨水位深度的增加而增加;在裂隙+管道型巖溶生境下,植物主要吸收裂隙水主導型,在該生境下,植物對表層巖溶水的利用比例隨水位深度的增加而下降。該結果可為巖溶石漠化脆弱生態(tài)系統(tǒng)植被恢復提供技術支持,也有助于評估氣候變化下的植被生態(tài)響應機制。
【學位單位】：中國地質(zhì)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：P641.134
【部分圖文】：

1.2.1 關鍵帶的定義和研究內(nèi)容地球關鍵帶在垂直方向上包括從上邊界植物冠層向下穿越地表面、土壤層、非飽和的包氣帶、飽和的含水層，下邊界為含水層的基巖底板的區(qū)域（圖1-1），在水平尺度上包括已經(jīng)風化的松散層、植被、河流、湖泊、海岸帶與淺海環(huán)境等。地球關鍵帶的水-土-氣-生-巖連續(xù)體發(fā)生著復雜的相互作用，是與人類聯(lián)系最為密切的地球圈層，決定著社會發(fā)展所需的資源供應[1,2]。當前地球系統(tǒng)科學在巖溶學領域最重要的研究是對關鍵帶過程的監(jiān)測和研究。水和土壤是地球關鍵帶的兩個核心要素[1，23，24]。水是各圈層間進行物質(zhì)能量交換的主要驅(qū)動力,是物質(zhì)與能量的主要載體。關鍵帶的三個主要過程是生態(tài)過程、水文過程和生物地球化學過程。生態(tài)過程的研究目標是闡明生態(tài)系統(tǒng)的結構、過程、演化和功能等；水文過程研究水的時空分布和變化規(guī)律，水分運移和轉(zhuǎn)化；生物地球化學過程主要研究大氣-生物-土壤中的碳水鈣等養(yǎng)分循環(huán)過程和能量流動等。關鍵帶研究的核心內(nèi)容是研究不同類型生態(tài)系統(tǒng)的組成和結構特點，不同時空尺度上控制碳水鈣循環(huán)和通量流動的各種過程

1.2.2 巖溶關鍵帶的定義和特征巖溶關鍵帶是指受可溶性巖石（碳酸鹽巖、硫酸鹽巖、鹵化物巖等）地質(zhì)背景的制約，在垂直方向上包括從植被冠層到地下含水層底部的區(qū)域(圖1-2)。巖溶關鍵帶是地球關鍵帶研究的重要組成部分[26]，其物理涵義是基巖為碳酸鹽巖，在垂直方向上包括從上邊界植物冠層向下穿越地表面、土壤層、非飽和的包氣帶、飽和的含水層，下邊界為含水層的基巖底板的區(qū)域。巖溶關鍵帶包括的范圍與傳統(tǒng)研究中的表層巖溶帶不一樣，巖溶關鍵帶的范圍包括整個植被系統(tǒng)、土壤層和整個包氣帶，而表層巖溶帶是巖溶山區(qū)強烈?guī)r溶化的包氣帶部分，包括植被的根圖 1-2 巖溶關鍵帶垂直和水平結構示意圖Fig.1-2 Sketch map of vertical and horizontal structure in Karst Critical Zone

技術路線框架圖
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本文編號：2889888